光：歴史、自然、行動、伝播 - 物理的 - 2025

光は電磁波が視覚によって検出することが可能です。それは電磁スペクトルの一部を構成します：可視光として知られているもの。長年にわたり、その性質を説明するためにさまざまな理論が提案されてきました。

たとえば、光が物体や観測者の目から放出される粒子の流れからなるという信念は長い間保持されていました。アラブ人と古代ギリシャ人のこの信念は、光の現象を説明するためにアイザックニュートン（1642-1727）によって共有されました。

図1.大気中の太陽光の散乱により、空は青くなっています。出典：Pixabay。

ニュートンは光が波の質を持っていると疑い始め、クリスチャンホイヘンス（1629-1695）は屈折と反射を波動理論で説明することができましたが、粒子としての光の信念は19世紀初頭まですべての科学者の間で広まっていました。 。

その世紀の夜明けに、イギリスの物理学者トーマスヤングは、光線が機械の波が弦で行うように、光線が互いに干渉する可能性があることを疑いなく実証しました。

それは、光が粒子ではなく波であることを意味するだけかもしれませんが、1873年にジェームズクラークマクスウェルが電磁波であると主張するまで、それがどのような波であったか誰も知りませんでした。

1887年のハインリッヒヘルツの実験結果のサポートにより、光の波の性質は科学的事実として確立されました。

しかし、20世紀の初めに、光の小体の性質について新しい証拠が現れました。この性質は、光エネルギーが「フォトン」と呼ばれるパッケージで輸送される放出および吸収現象に存在します。

したがって、光は波として伝播し、粒子のような物質と相互作用するため、現在、光では波と粒子という二重の性質が認識されています。

光の性質

光の性質が二重であり、電磁波として伝播し、そのエネルギーが光子にあることは明らかです。

質量のないこれらは、300,000 km / sの一定速度で真空中を移動します。真空中の光の速度は既知ですが、速度は異なりますが、光は他の媒体を通過できます。

光子が目に届くと、光の存在を検出するセンサーが作動します。情報は脳に送信され、そこで解釈されます。

光源が多数の光子を放出するとき、それを明るい光源と見なします。反対に、それが少ししか放出しない場合は、不透明なソースとして解釈されます。各光子には、脳が色として解釈する特定のエネルギーがあります。たとえば、青いフォトンは赤いフォトンよりもエネルギッシュです。

一般的に、どの光源も異なるエネルギーの光子を放出するため、見られる色です。

単一のタイプのエネルギーでフォトンを放出するものが他にない場合は、単色光と呼ばれます。レーザーは単色光の良い例です。最後に、ソース内のフォトンの分布はスペクトルと呼ばれます。

波はまた、特定の波長を持つことを特徴とします。すでに述べたように、光は電磁波からガンマ線までの非常に広い波長範囲をカバーする電磁スペクトルに属します。次の画像は、白色光のビームが三角プリズムをどのように散乱させるかを示しています。光は長波長（赤）と短波長（青）に分けられます。

中央には、可視スペクトルと呼ばれる400ナノメートル（nm）から700 nmの範囲の狭い波長帯域があります。

図2.可視光の範囲を示す電磁スペクトル。出典：出典：ウィキメディア・コモンズ。著者：ホルスト・フランク。

光のふるまい

調査したように、光には波動と粒子の二重の振る舞いがあります。光は電磁波と同じように伝播するため、エネルギーを輸送することができます。しかし、光が物質と相互作用すると、光子と呼ばれる粒子のビームのように振る舞います。

図4.電磁波の伝播。出典：ウィキメディア・コモンズ。SuperManu。

1802年、物理学者のトーマスヤング（1773-1829）は、二重スリット実験を使用して、光が波の振る舞いをすることを実証しました。

このようにして、彼は画面上で最大および最小の干渉を生成することができました。この振る舞いは波の典型的なものであり、ヤングは光が波であり、その波長を測定できることを実証することができました。

光のもう1つの側面は、光子と呼ばれるエネルギーのパケットで表される粒子の側面です。これは、真空中で速度c = 3 x 10 ⁸ m / sで移動し、質量はありません。しかし、それらにはEエネルギーがあります。

そしてまた大きさの勢い：

ここでhはプランク定数で、その値は6.63 x 10 ^-34 Joule.secondで、fは波の周波数です。これらの式を組み合わせる：

また、波長λと周波数はc =λ.fによって関連付けられるため、次のようになります。

ホイヘンスの原理

図5.波面と光線が直線的に伝播します。出典：Serway。R.理工学のための物理学。

光の振る舞いを研究するとき、考慮すべき重要な原則が2つあります。ホイヘンスの原則とフェルマーの原則です。ホイヘンスの原則によれば、

なぜ球面波なのか？媒質が均質であると仮定すると、点光源から放出された光はすべての方向に均等に伝播します。光線が均等に分散された大きな球の中央を伝播する光を想像できます。この光を観察する人は誰でも、それが彼の目に向かって直進し、波面に対して垂直に移動することを認識しています。

光線が太陽などの非常に遠い光源から来る場合、波面はフラットで、光線は平行です。これが、幾何光学アプローチのすべてです。

フェルマーの原理

フェルマーの原理は次のように述べています：

この原理は、1662年に最初に確立されたフランスの数学者、ピエールドゥフェルマー（1601-1665）に由来しています。

この原理によれば、均質な媒質では光は一定の速度で伝播するため、均一な直線運動が行われ、その軌跡は直線になります。

光の伝播

光は電磁波のように伝わります。電場と磁場の両方が互いに発生し、同相であり、互いに垂直で伝搬方向に垂直な結合波を構成します。

一般に、空間を伝播する波は波面で表すことができます。これは、振幅と位相が等しいポイントのセットです。ホイヘンスの原理によれば、特定の瞬間の波面の位置を知ることで、その後の位置を知ることができます。

回折

六角形のスリットでレーザー回折。リエンゾシアン

光の波の振る舞いは、その伝播中に生じる2つの重要な現象である回折と干渉によって明確に示されます。回折では、波は、水、音、光のいずれであっても、開口部を通過したり、障害物を迂回したり、角を曲がったりすると変形します。

開口部が波長に比べて大きい場合、歪みはそれほど大きくありませんが、開口部が小さい場合、波形の変化がより顕著になります。回折は波の排他的な特性であるため、光が回折を示す場合、波の振る舞いがあることがわかります。

干渉と偏光

光の干渉は、それらを構成する電磁波が重なると発生します。その際、それらはベクトル的に追加され、これにより2種類の干渉が発生する可能性があります。

–建設的、結果として生じる波の強度がコンポーネントの強度より大きい場合。

–強度がコンポーネントの強度よりも低い場合は破壊的です。

光波干渉は、波が単色であり、常に同じ位相差を維持する場合に発生します。これは一貫性と呼ばれます。このような光は、例えばレーザーから来ることができます。白熱電球などの一般的な光源はコヒーレント光を生成しません。これは、フィラメント内の何百万もの原子から放出される光の位相が常に変化しているためです。

ただし、2つの小さな開口部が互いに近い不透明なシェードが同じ電球に配置されている場合、各スロットから出る光はコヒーレントな光源として機能します。

最後に、電磁場の振動がすべて同じ方向である場合、分極が発生します。自然光は多くの成分で構成されているため、偏光されていません。それぞれが異なる方向に振動します。

ヤングの実験

19世紀初頭、イギリスの物理学者であるトーマスヤングは、普通の光源でコヒーレントな光を得た最初の人物でした。

彼の有名なダブルスリット実験で、彼は不透明なスクリーンのスリットに光を通過させました。ホイヘンスの原理によれば、2つの二次光源が生成され、2つのスリットがある2番目の不透明スクリーンを通過します。

図6. Youngのダブルスリット実験のアニメーション。出典：ウィキメディア・コモンズ。

得られた光は、暗い部屋の壁を照らしていた。見えていたのは、明るい領域と暗い領域が交互に現れるパターンでした。このパターンの存在は、上記の干渉現象によって説明されます。

ヤングの実験は光の波の性質を明らかにしたので非常に重要でした。その後、電子、中性子、陽子などの基本粒子を用いて実験が行われ、同様の結果が得られました。

光の現象

反射

水中での光の反射

光線が表面に当たると、光の一部は反射され、一部は吸収されます。それが透明な媒体である場合、光の一部はそれを通過し続けます。

また、表面は鏡のように滑らかな場合もあれば、ざらざらした凹凸がある場合もあります。滑らかな表面で発生する反射は鏡面反射と呼ばれます。それ以外の場合は、拡散反射または不規則な反射です。鏡などの高度に研磨された表面は、入射光の最大95％を反射できます。

鏡面反射

この図は、空気である可能性のある媒体内を移動する光線を示しています。入射角θで₁平面鏡面表面上と角度θで反射₂。法線と表示されている線は、表面に対して垂直です。

入射角は反射角と同じです。出典：Serway。R.理工学のための物理学。

入射光線と反射光線の両方、および鏡面の法線が同じ平面にあります。古代ギリシャ人はすでに、入射角が反射角に等しいことを観察していました：

この数式は光の反射の法則です。ただし、たとえば音などの他の波も反射することができます。

ほとんどの表面は粗いため、光の反射は拡散します。このようにして、それらが反射する光はすべての方向に送られるため、どこからでもオブジェクトを見ることができます。

いくつかの波長は他の波長よりも多く反射されるため、オブジェクトの色は異なります。

たとえば、木の葉は、緑色に対応する可視スペクトルのほぼ中央にある光を反射します。残りの可視波長は吸収されます：紫外から青（350-450 nm）に近い紫外光と赤色光（650-700 nm）。

屈折

屈折現象。Josell7

光の屈折は、光が媒体に応じて異なる速度で移動するために発生します。真空では、光の速度はc = 3 x 10 ⁸ m / sですが、光が物質媒質に到達すると、吸収と放出のプロセスが発生し、エネルギーが減少します。

たとえば、空気中を移動すると、光はcとほぼ同じ速度で移動しますが、水中では、光はcの4分の3を移動しますが、ガラス内を移動すると、cの約3分の2を移動します。

屈折率

屈折率はnで表され、真空中の光速cと前記媒質中の光速vの間の商として定義されます。

真空中の光の速度は、材料媒質中よりも常に速いため、屈折率は常に1より大きくなります。nのいくつかの典型的な値は次のとおりです：

-空気：1.0003

-水：1.33

-ガラス：1.5

-ダイヤモンド：2.42

スネルの法則

光線が2つの媒体の間の境界に斜めに当たると、たとえば空気とガラスのように、一部の光は反射され、別の部分はガラスの内側に進みます。

この場合、ある媒体から別の媒体に通過するときに波長と速度は変化しますが、周波数は変化しません。v = c / n =λ.fであり、真空中もc =λoです。f、それから私たちは：

すなわち、所与の媒体の波長は常に真空の波長λoより短い。

図8.スネルの法則。出典：左図：光の屈折の図。レックス、A。物理学の基礎。右図：ウィキメディア・コモンズ。ジョセル7。

赤で共通の斜辺を持つ三角形に注意してください。各媒体において、斜辺の対策は、λ ₁ θ/罪を₁とλ ₂ /罪θ ₂はそれぞれ、λ及びvは比例関係にあるので、それゆえ。

λ=λ以来_O我々が持っているN /：

これは次のように表すことができます：

これは、空気から水とガラスに通過する光を観察することによって実験的に導出したオランダの数学者、ウィレブロードスネル（1580-1626）に敬意を表して、スネルの法則の公式です。

あるいは、スネルの法則は、屈折率の定義を利用して、各媒質の光の速度で記述されます。n= c / v：

分散

上で説明したように、光はエネルギーの異なる光子で構成され、各エネルギーは色として認識されます。白色光にはすべてのエネルギーの光子が含まれているため、さまざまな色の光に分解できます。これは、ニュートンがすでに研究していた光の散乱です。

大気中の水滴は小さなプリズムのように振る舞います。出典：Pixabay。

ニュートンは光学プリズムを取り、白色光のビームを通過させ、赤から紫までの色のストライプを取得しました。このフリンジは、図2に見られる可視光のスペクトルです。

光の散乱は自然現象であり、虹が形成されたときに空の美しさを賞賛します。太陽光が大気中の水滴に当たると、それは小さなニュートンのようなプリズムのように機能し、光を散乱させます。

私たちが空を見ている青い色も、分散の結果です。窒素と酸素が豊富で、大気は主に青と紫の色合いを分散させますが、人間の目は青に敏感なので、この色の空が見えます。

太陽が地平線上に低くなると、日の出または日没時に、光線は大気の厚い層を通過する必要があるため、空はオレンジ色に変わります。低い周波数の赤みがかった色調は、大気の要素との相互作用が少なく、表面に直接到達するために利用されます。

ほこりや汚染が豊富な大気、たとえば一部の大都市などでは、低周波の分散により灰色がかった空になります。

光に関する理論

光は主に粒子または波と見なされてきました。ニュートンが擁護した小説の理論は、光を粒子のビームと見なした。一方、ホイヘンスが主張したように、反射と屈折は光が波であると仮定することで適切に説明できます。

しかし、これらの注目すべき科学者のずっと前に、人々はすでに光の性質について推測していました。その中には、ギリシャの哲学者アリストテレスは欠席できませんでした。時間の経過に伴う光の理論の概要を以下に示します。

アリストテレス理論

2,500年前、アリストテレスは、観察者の目から光が出て、対象物を照らし、何らかの方法で画像とともに戻ってきたため、人がそれを理解できると主張しました。

ニュートンの小説

ニュートンは、光がすべての方向に直線的に伝播する小さな粒子で構成されているという信念を抱いていました。彼らは目に到達すると、感覚を光として記録します。

ホイヘンス波理論

ホイヘンスは、光に似た媒体の乱れであると彼が提案した光に関する演説と呼ばれる作品を発表しました。

マクスウェルの電磁理論

ダブルスリット実験は光の波の性質について疑いの余地はありませんでしたが、マクスウェルが彼の電磁理論で光は電磁場の伝播。

電磁波としての光は、前のセクションで説明したように光の伝播現象を説明し、光の粒子の性質と同様に、現在の物理学で受け入れられている概念です。

アインシュタインの小説

現代の光の概念によれば、それは光子と呼ばれる質量のない荷電していない粒子で構成されています。質量がないにもかかわらず、上で説明したように、それらには運動量とエネルギーがあります。この理論は、離散的な（量子化された）量でエネルギーを交換することにより、光が物質と相互作用する方法をうまく説明しています。

光量子の存在は、数年前にハインリッヒヘルツによって発見された光電効果を説明するためにアルバートアインシュタインによって提案されました。光電効果は、ある種の電磁放射が衝突した物質による電子の放出で構成されます。ほとんどの場合、紫外線から可視光の範囲です。

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